انتقال برق از نیروگاه ها

از انواع نیروگاه و خطوط انتقال برق از نیروگاه ها خواهیم گفت تا به موضوع اهمیت و نقش هادیها و کابلها در سیستم انتقال انرژی الکتریسیته برسیم.

اگر بخواهیم داستان تأمین برق را روایت کنیم، سه فصل یا سه بخش مهم خواهد داشت که عبارتند از:

• نیروگاه ها
• خطوط انتقال و فوق توزیع
• خطوط و شبکه توزیع

در این مقاله، نگاهی بر انواع نیروگاه و خطوط انتقال برق خواهیم داشت.

انواع نیروگاه

هنگامی که قصد میکنیم از چگونگی انتقال انرژی الکتریسیته از نیروگاهها به نزدیکی مراکز مصرف بگوییم، بهتر است که نخست به تنوع نیروگاهها یا مراکز تولید برق بپردازیم و پس از آن به موضوع گوناگونی شبکه انتقال نیرو برسیم.

نیروگاهها را میشود بر پایه معیارهای مختلفی دسته بندی نمود. کار مهمی که در نیروگاهها انجام میشود، تبدیل انرژیست. بخش خروجی این تبدیل، انرژی الکتریسیته است.

انرژی ورودی نیز در بسیاری از نیروگاههای تولید کننده برق جریان متناوب، انرژی جنبشی خواهد بود. این انرژی جنبشی به شکلهای مختلف ایجاد میگردد. بر اساس همین نکته، نیروگاههای رایج و اصلی امروزه را گروه بندی میکنیم.

نیروگاههای بخار

در نیروگاههای بخاری، ابتدا یک سوخت یا انرژی برای ایجاد حرارت و تبخیر آب به کار میرود. سپس بخار حاصل، وارد توربینهای بخار میشود. توربینها به چرخش در می آیند و مولدهای برق متصل به آنها نیز میچرخند. با استفاده از برهمکنشهای الکترومغناطیسی، نتیجه چرخش این ژنراتورها، ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی یا به زبان ساده، تولید برق است.

برای ایجاد آتش و بخار کردن آب، ممکن است انرژیهای فسیلی مانند گاز یا ذغال سنگ به کار روند. گرمای حاصل از واکنشهای شکافت اتم یا اخیراً همجوشی هسته ای نیز بدین منظور به کار میرود. به طور محدود، از انرژی زمین گرمایی هم با همین هدف استفاده میگردد.

نیروگاه گازی و سیکل ترکیبی

استفاده از گازهای حاصل از احتراق، شیوه دیگری برای تولید برق است. توربینهای گازی برای این روش به کار میروند. با استفاده از سوختها، یک احتراق یا انفجار کنترل شده ایجاد میگردد. شبیه آنچه که در موتورهای هواپیماهای جت رخ میدهد. گازهای داغ و پر انرژی حاصل از این احتراق، توربینهای گاز را به گردش در می آورند و توربینها هم ژنراتورها را میچرخانند و برق تولید میگردد.

نیروگاه هایی با نام سیکل ترکیبی یا CCGT وجود دارند که از ترکیب دو فرایند قبلی در آنها استفاده میشود. گازهایی که از توربینهای گازی خارج میشوند، هنوز آنقدر انرژی گرمایی دارند که بتوان از آنها برای گرم کردن آب و تبخیر آن در واحد بخار نیروگاه استفاده کرد. با این کار، راندمان نیروگاههای کم بازده گازی، بالاتر میرود.

نیروگاههای دیزلی

در این مدل از نیروگاهها، برای چرخش ژنراتورها و تولید برق، موتورهای دیزل با سوخت گازوئیل به کار میروند. این روزها، دیزل ژنراتورها بیشتر برای تولید پراکنده یا برای تولید برق اضطراری ساختمانها یا کارخانه ها انتخاب میگردند.

نیروگاههای آبی و بادی

استفاده از انرژی پتانسیل یا جنبشی آب، روش دیگری برای تولید برق است. انرژی آبهای پشت سد یا آبهای روان در رودها، برای چرخش توربینهای آبی و پس از آن چرخش مولدها و تولید برق به کار میرود.

در نیروگاه بادی از انرژی باد برای چرخش توربینهای بادی استفاده میگردد و پس از آن همان داستان چرخش ژنراتور و تولید برق روی میدهد. توربینهای بادی در انواع گوناگون به صورت منفرد، چند تایی و یا با تعداد زیاد و اصطلاحاً مزارع بادی، برای تولید الکتریسیته وجود دارند.

نوع ژنراتور در نیروگاههای بادی، ممکن است با نیروگاههای قبلی متفاوت باشد. در آن نیروگاهها، اغلب از ژنراتورهای سنکرون استفاده میشود؛ اما بسیاری از نیروگاههای بادی دارای ژنراتورهای آسنکرون هستند.

نیروگاههای فتوولتائیک

در این نمونه از نیروگاهها، خبری از توربینها و چرخش ژنراتورهای متصل به آنها نیست. در این روش، تابش خورشید بر سلولهای نوری یا فُتوولتائیک باعث تولید برق جریان مستقیم (DC) میشود. همین موضوع نیز تفاوت دیگر این نیروگاههاست. چون در مراکز تولید برق قبلی که راجع به آنها گفتیم، خروجی ژنراتورها برق جریان متناوب (AC) بود.

این نیروگاهها در شکلهای مختلف از واحدهای کوچک پشت بامی تا مزارع بزرگ خورشیدی برای تولید الکتریسیته استفاده میگردند.

سه گروه اخیر، یعنی نیروگاههای آبی، بادی و خورشیدی، در گروهی با نام «انرژیهای تجدید پذیر» یا «تولید برق سبز» نیز دسته بندی میگردند.

هر چه در زمان به پیش میرویم، نیاز بشر به برق افزایش مییابد. به گونه ای که در سالهای آینده، زمانی که از انرژی سخن به میان می آید، بحثها اغلب پیرامون تأمین انرژی الکتریسیته خواهد بود. مسائل محیط زیست نیز تصمیم گیرندگان را به سوی استفاده بیشتر از انرژیهای تجدیدپذیر و پاک برای تولید برق سوق میدهد.

انواع خطوط انتقال برق از نیروگاه ها

میدانید که توان الکتریسیته با ضرب ولتاژ در جریان، رابطه مستقیمی دارد. از طرفی، تلفات گرمایی در هادیها و کابلهای برق نیز با مربع جریان دارای ارتباط مستقیم است. در نتیجه، برای آنکه بتوان توان بالایی را توسط خطوط انتقال جا به جا نمود و تلفات توان و هزینه ها را کاهش داد، از ولتاژهای بالا استفاده میگردد.

احتمال دارد این پرسش مطرح شود که: چرا انتقال؟ به بیان دیگر، چرا نیروگاهها از مراکز مصرف دورند که نیاز باشد برق تولیدی آنها به شهرها و روستاها انتقال یابد؟ پاسخ این سؤال در دل نکات زیر است:

• فعالیت نیروگاههای سبک قدیم که اکثراً به سوختهای فسیلی وابستگی دارند، سبب تولید گازهای خطرناک و آلاینده هوا میشود. بنابراین، در بسیاری از کشورها تلاش میشود تا این نیروگاهها دور از مناطق مسکونی باشند.
• منابع انرژی اولیه و فضا برای تولید برق در همه جا فراهم نیست. مثلاً نیروگاههای بخاری به آب نسبتاً زیادی نیاز دارند. راکتورهای اتمی نزدیک دریاها نصب میشوند. سدها و رودها اکثراً از شهرها دورند. معمولاً توربینهای بادی در خارج از شهرها و امروزه حتی در دریا و اقیانوس نصب میشوند؛ چون ظرفیت وزش باد در این مناطق بیشتر است. برای تولید برق قابل توجه از سامانه های فتوولتائیک به مساحت بزرگی از زمین نیاز است که معمولاً در نقاط دور از مراکز زندگی بشر قابل دسترس و کم هزینه تر هستند.

در کنار مسئله دور بودن نیروگاهها، موضوع دیگری به نام ایجاد شبکه سراسری و یا اتصال شبکه چندین کشور به یکدیگر با هدف ارتقاء قابلیت اطمینان مطرح است. برای ایجاد چنین شبکه و ارتباطی، نیاز است که خطوط انتقال متعددی احداث گردند.

با توجه به آنکه نیروگاهها کجا هستند و فاصله آنها از مراکز مصرف و مقدار توان تولیدی آنها چه مقدار است؛ انتقال برق به یک روش یا ترکیبی از سه روش رایج زیر انجام میپذیرد:

1. خطوط هوایی
2. خطوط زیر زمینی
3. خطوط زیر دریایی

نقش هادیها و کابلها در انتقال برق از نیروگاه

مهمترین عضوِ خطوط انتقال و توزیع برق، هادیها و کابلهای برق هستند. جریان برق از مسیر این هادیها و کابلهاست که عبور میکند و به انواع وسایل برقی و تجهیزات و ماشین آلات الکتریکی میرسد. پس وقتی که موضوع گفت و گو، انتقال برق از نیروگاهها باشد، حتماً باید از نقش هادیها و کابلها و انواع آنها سخن به میان آید.

در خطوط هوایی انتقال برق، از هادیهای بدون عایق استفاده میشود. عنصر اصلی این هادیها، فلز آلومینیوم است. برای آنکه بتوان در کنار استفاده از مزایای هدایت الکتریکی نسبتاً مناسب، قیمت پایینتر و سبکتر بودن این فلز، ضعف کم بودن نسبی استحکام کششی آن را بر طرف نمود، نیاز به تقویت مکانیکی آن وجود دارد. دو روش رایج برای رفع این نقص در هادیهای آلومینیومی انتقال برق عبارتند از:

1. استفاده از هادیهای آلومینیومی تقویت شده با فولاد؛ ACSR ها
2. به کارگیری آلیاژهای آلومینیوم و استفاده از هادیهایی مانند AAAC ها

در شبکه های زمینی و زیردریایی انتقال برق، از کابلهای قدرت مناسب استفاده میگردد. همانطور که گفتیم، ولتاژ در خطوط انتقال بالاست؛ پس کابلهای این خطوط نیز از گروه کابلهای ولتاژ بالا خواهند بود. این کابلها از نظر محل نصب، به دو گروه زیر تقسیم میشوند:

1. کابل های زیر زمینی
2. کابل های زیر ردیایی

امروزه، کابلهای فشار قوی جریان متناوب یا HVAC زیر زمینی با رسانای مسی یا آلومینیومی، غالباً دارای عایق XLPE هستند. در کابلهای دریایی، عایقهای خشک مانند XLPE یا EPR یا عایقهای آغشته به روغن استفاده میشوند. برای خطوط طولانی زیر دریایی، سیستم و کابل فشار قوی جریان مستقیم یا HVDC نیز انتخاب میگردد.

کیفیت طراحی و اجرای خطوط انتقال و توزیع تأثیر مهمی در قابلیت اطمینان تأمین برق برای کاربران خواهد داشت. کیفیت ساخت هادیها و کابلها از شاخصه های مهم این خطوط هستند.

ولتاژ خطوط انتقال برق از نیروگاه ها

شاخصه دیگر در تنوع خطوط انتقال برق از نیروگاه ها، مربوط به ولتاژ اسمی آنها خواهد بود. ولتاژهای AC که معمولاً برای شبکه انتقال و فوق توزیع برق جدید در بسیاری از کشورها انتخاب میشوند، مطابق استاندارد جهانی IEC 60038 هستند:

• ولتاژ فاز به فاز 66 یا 69 کیلو ولت
• فاز به فاز 110 یا 115 کیلو ولت
• فاز به فاز 132 یا 138 کیلو ولت
• فاز به فاز 220 یا 230 کیلو ولت
• بیشینه ولتاژ 362 کیلو ولت
• بیشینه ولتاژ 420 کیلو ولت
• حداکثر ولتاژ 525 یا 550 کیلو ولت
• حداکتر ولتاژ 765 یا 800 کیلو ولت
• بیشینه ولتاژ 1100 یا 1200 کیلو ولت

افزایش یا کاهش ولتاژ در نیروگاهها، خطوط انتقال و توزیع برق، توسط ترانسفورمرها (ترانسفورماتورها) انجام میشود.

ناگفته نماند که انرژی تولیدی در نیروگاههای مقیاس کوچک و تولید پراکنده، به جای خطوط انتقال و فوق توزیع، مستقیماً به شبکه توزیع تزریق میشوند. بر این اساس، برای اتصال این نیروگاهها به خطوط توزیع برق، از شبکه های هوایی با هادیهای آلومینیومی به صورت بدون روکش یا روکشدار و نیز کابلهای زمینی ولتاژ متوسط (MVAC) استفاده میگردد.